(a) Een scanning-elektronenmicroscoop (SEM)-afbeelding van de nanonaaldsonde die voor de metingen werd gebruikt. (b) Elasticiteitskaart van een gebied van 1 µm x 1 µm op het nucleaire oppervlak, dat de verandering in elasticiteit toont vóór (controle) en na behandeling met TGF-β. (c) Schematische illustratie van de meting, waarbij de nanonaaldsonde in een levende cel wordt ingebracht om de kern direct in te drukken en de elasticiteit ervan te meten. (d) Een typische kracht-afstandscurve die de krachttoename toont die overeenkomt met de inkeping van het celmembraan en de nucleaire envelop. Credit: ACS-appl. Nano Mater.2025. DOI: 10.1021/acsanm.5c03044. Gelicentieerd onder CC-BY 4.0.
Onderzoekers van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University, rapporteren in ACS toegepaste nanomaterialen een nieuwe methode om de nucleaire elasticiteit nauwkeurig te meten– de stijfheid of zachtheid van de celkern – in levende cellen.
Door gebruik te maken van een techniek genaamd Nanoendoscopie-AFM (NE-AFM), waarbij een nanonaaldsonde rechtstreeks in cellen wordt ingebracht, onthulde het team hoe de kernen van kankercellen verstijven of verzachten, afhankelijk van de chromatinestructuur en de omgevingsomstandigheden.
De bevindingen bieden fundamentele inzichten in hoe de fysieke eigenschappen van kankercelkernen veranderen tijdens de progressie van de ziekte, en benadrukken hun potentieel als biomarkers voor diagnose en behandelingsevaluatie.
Veranderingen in de nucleaire mechanica zijn een kenmerk van kanker en kunnen duiden op kwaadaardige transformatie. Traditioneel wordt de nucleaire elasticiteit bestudeerd met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM) -sondes die op het celmembraan drukken of door geïsoleerde kernen op te zuigen. Beide methoden hebben hun beperkingen: ze worden beïnvloed door omringende cellulaire structuren of slagen er niet in intacte nucleaire toestanden vast te leggen.
De nieuwe NE-AFM-methode, ontwikkeld door Takehiko Ichikawa en collega’s van de Kanazawa Universiteit, overwint deze barrières door duizenden keren een nanonaaldsonde rechtstreeks in levende cellen te steken zonder ernstige schade te veroorzaken, waardoor het in kaart brengen van de nucleaire elasticiteit op nanoschaal mogelijk wordt.
De onderzoekers ontdekten dat menselijke longkankercellen (PC9) een significant verhoogde nucleaire elasticiteit vertoonden onder serumvrije omstandigheden. Deze verstijving correleerde met verhoogde trimethylering van histon H4 op lysine 20 (H4K20me3), een marker voor chromatineverdichting.
Behandeling met transformerende groeifactor bèta (TGF-β), die epitheliale-mesenchymale transitie (EMT) induceert, veroorzaakte nucleaire verzachting en verlaagde H4K20me3-niveaus.
De studie toont aan dat veranderingen in de nucleaire elasticiteit voornamelijk worden veroorzaakt door de toestand van chromatineverdichting, en niet door veranderingen in de nucleaire laminen. Hersenmetastatische derivaten van PC9-cellen (PC9-BrM) vertoonden vergelijkbare trends in nucleaire elasticiteit, wat suggereert dat chromatineregulatie van nucleaire mechanica een rol speelt in hun invasieve gedrag.
Het team maakte gebruik van Nanoendoscopie-AFM, een techniek die atoomkrachtmicroscopie combineert met nanonaaldsondes die zijn vervaardigd door afzetting van elektronenstralen. De sondes, met een diameter van slechts ~160 nm, werden herhaaldelijk in levende cellen ingebracht om duizenden kracht-afstandscurven over nucleaire oppervlakken vast te leggen.
Op basis van deze metingen creëerden de onderzoekers driedimensionale elasticiteitskaarten van intacte kernen in menselijke longkankercellen. In tegenstelling tot traditionele AFM-methoden onderscheidt NE-AFM de elasticiteit van celmembraan van nucleaire elasticiteit en vermijdt interferentie van cytoskeletstructuren.
Er werden ook immunoblotting-experimenten uitgevoerd om veranderingen in de elasticiteit te correleren met histon-modificaties en nucleaire eiwitniveaus.
“Ons werk laat zien dat nucleaire elasticiteit niet alleen een fysieke eigenschap is, maar een weerspiegeling van de onderliggende chromatinetoestanden”, zegt Ichikawa.
“Met Nanoendoscopie-AFM hebben we nu een krachtig hulpmiddel om de kern van levende kankercellen rechtstreeks te onderzoeken. Dit opent de deur naar nieuwe diagnostische benaderingen en naar een beter begrip van hoe mechanische krachten de progressie van kanker bepalen.”
Het onderzoek toont aan dat nucleaire elasticiteit kan fungeren als een meetbare biomarker voor de progressie van kanker. De NE-AFM-methode biedt een ongekend vermogen om intacte nucleaire mechanica te onderzoeken en zou een hulpmiddel kunnen worden voor vroege diagnose en prognose van kanker, het bestuderen van chromatineregulatie tijdens metastase en het onderzoeken van de mechanica van andere organellen zoals mitochondriën.
Meer informatie:
Takehiko Ichikawa et al., Nanomechanica onderzoeken door directe inkeping met behulp van nano-endoscopie-AFM onthult de overgang van nucleaire elasticiteit in kankercellen, ACS toegepaste nanomaterialen (2025). DOI: 10.1021/acsanm.5c03044
Geleverd door Kanazawa Universiteit